氮化鎵：開啟終極半導(dǎo)體商業(yè)化革命

　　上海PCIM Asia展會(huì)現(xiàn)場，氮化鎵系統(tǒng)公司(GaN Systems)聯(lián)合創(chuàng)始人兼總裁Girvan Patterson手持一塊用于服務(wù)器電源的集成電路板展示：“由于使用氮化鎵晶體管器件，這塊電路板的尺寸縮小到了原先的1/4。更為重要的是，它在性能、能源效率、系統(tǒng)成本等方面相比當(dāng)下主流的硅基功率電子元件有了跨越式提升。”

　　被稱為“終極半導(dǎo)體材料”的氮化鎵研究和應(yīng)用是全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，在光電子器件和微電子器件領(lǐng)域市場前景廣闊。“目前全球功率轉(zhuǎn)化器件每年約有150億美元的市場規(guī)模，而氮化鎵可以直接替代的市場至少可達(dá)20%，這還不包括尚待發(fā)展的領(lǐng)域，比如電動(dòng)汽車等新興潛力市場。”Girvan Patterson說。

　　半導(dǎo)體功率轉(zhuǎn)化器件是現(xiàn)代電子工業(yè)極其重要的基礎(chǔ)組成部件，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電器電子產(chǎn)品、工業(yè)和企業(yè)、清潔能源、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。相關(guān)行業(yè)專家預(yù)測認(rèn)為，需要轉(zhuǎn)化的電力(交流轉(zhuǎn)直流，直流轉(zhuǎn)直流，直流轉(zhuǎn)交流等等)將在20年內(nèi)從目前的30%提升到80%。所以半導(dǎo)體功率轉(zhuǎn)化效率的提升對(duì)整個(gè)社會(huì)的節(jié)能降耗具有重要意義，而氮化鎵器件很可能成為推動(dòng)整個(gè)電子電力效率提升的關(guān)鍵動(dòng)力之一。

　　順應(yīng)終端產(chǎn)品更小型、更輕薄、能效更高、成本更低的趨勢(shì)需求，功率半導(dǎo)體器件也在不斷以此方向改進(jìn)和發(fā)展。從過往歷史看，大約每20年左右會(huì)出現(xiàn)一種新型功率三極管，而技術(shù)變革會(huì)讓行業(yè)內(nèi)誕生一些并不為公眾熟知的巨頭公司。

　　上世紀(jì)90年代，美國國際整流器公司(International Rectifier，簡稱IR)的HEXFET為代表的MOSFET占領(lǐng)了功率半導(dǎo)體器件的舞臺(tái)，成為一個(gè)幾十億美金銷售的產(chǎn)品品類;2000年，德國英飛凌公司(Infineon Technologies)推出超結(jié)MOS管，憑借顯著的性能提升，成為市場領(lǐng)導(dǎo)者，2014財(cái)年?duì)I收達(dá)43.2億歐元。去年8月，英飛凌公司以30億美元現(xiàn)金收購IR，進(jìn)一步整合功率半導(dǎo)體器件市場。

　　從技術(shù)角度看，氮化鎵器件在性能、效率、能耗、尺寸等多方面比市場主流的硅基半導(dǎo)體器件均有顯著數(shù)量級(jí)的提升。例如，相比主流的硅基MOSFET、IGBT，氮化鎵器件的開關(guān)頻率可以高出1000倍;能量損耗可以降低50%-90%;每瓦尺寸和重量降至原先的1/4，系統(tǒng)成本可以大幅降低。

　　近兩年來，全球相關(guān)行業(yè)巨頭也紛紛增加對(duì)氮化鎵器件的研發(fā)和商業(yè)化投入。今年5月，松下電器半導(dǎo)體有限公司(panasonic Semiconductor Solutions)宣布將于2016年在日本國內(nèi)量產(chǎn)氮化鎵器件，首先應(yīng)用于服務(wù)器電源裝置，以此將耗電量降低到原先的一半左右。

　　2014年，氮化鎵系統(tǒng)公司成為全球最早實(shí)現(xiàn)氮化鎵晶體管器件規(guī)模化量產(chǎn)的公司之一。雖然前景廣闊，但目前全球?qū)⒌壠骷七M(jìn)到商業(yè)化量產(chǎn)的公司仍然屈指可數(shù)，包括EPC、英飛凌、Transphorm等公司。“這將是一個(gè)長期發(fā)展的市場，除了高技術(shù)門檻的壁壘外，整個(gè)生態(tài)鏈的發(fā)展需要時(shí)間，”Girvan Patterson解釋，“功率器件的變化要求整個(gè)電路板設(shè)計(jì)的變化，不同領(lǐng)域?qū)τ谶@一變化的接受程度和調(diào)整周期各不相同。”

　　氮化鎵系統(tǒng)公司的技術(shù)和創(chuàng)始人團(tuán)隊(duì)成員源于北電網(wǎng)絡(luò)公司(Nortel)，Nortel是全球首家把氮化鎵器件用于商業(yè)化射頻應(yīng)用的公司。由于項(xiàng)目涉及節(jié)能，公司發(fā)展過程中獲得加拿大政府的大量資金資助。在實(shí)現(xiàn)原形產(chǎn)品后，2011年公司獲得首筆風(fēng)險(xiǎn)投資。通過對(duì)氮化鎵襯底材料的技術(shù)突破，氮化鎵系統(tǒng)公司實(shí)現(xiàn)了硅基氮化鎵器件規(guī)模化生產(chǎn)的能力，并以此極大降低了氮化鎵晶體管的生產(chǎn)成本。“目前氮化鎵晶體管的成本仍然是硅器件的3倍，但我們預(yù)計(jì)到2017年、2018年大規(guī)模生產(chǎn)后，它的成本將與硅晶體管器件相當(dāng)，而產(chǎn)品的綜合系統(tǒng)成本則會(huì)遠(yuǎn)低于硅器件。”Patterson稱。

　　與投資動(dòng)輒數(shù)億美元的傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商不同，氮化鎵系統(tǒng)公司選擇了“小而美”的無晶圓廠半導(dǎo)體公司的發(fā)展模式，目前全公司僅有40名左右的員工。“傳統(tǒng)半導(dǎo)體工廠轉(zhuǎn)向氮化鎵器件生產(chǎn)的門檻并不高。”Patterson說。自去年量產(chǎn)以來，其全球客戶已快速增至300多家。“我們從誕生起就是一家全球化公司，核心研發(fā)在北美以及全球各地的實(shí)驗(yàn)室，在臺(tái)灣代工生產(chǎn)、歐洲封裝，銷售市場遍及全球。”Patterson介紹。

　　在融資方面，氮化鎵系統(tǒng)公司也體現(xiàn)出“全球化”特色。今年5月，氮化鎵系統(tǒng)公司完成2,000萬美元的最新一輪融資，而長期專注于清潔能源和能效技術(shù)的中國風(fēng)險(xiǎn)投資企業(yè)青云創(chuàng)投是共同領(lǐng)投。“中國是全球最大、增長最快的功率電子區(qū)域市場，氮化鎵系統(tǒng)公司提供了應(yīng)用廣泛的功率半導(dǎo)體器件，與青云的受資公司有很強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)，尤其是在提高能效和小型化方面。”青云創(chuàng)投管理合伙人李立偉表示。

　　獨(dú)創(chuàng)的島技術(shù)(Island Technology®)是讓氮化鎵系統(tǒng)公司高速成長的關(guān)鍵因素。“島技術(shù)可以讓我們像搭樂高積木一樣制造不同電壓、功率的氮化鎵晶體管，因此針對(duì)不同行業(yè)的不同客戶，我們可以提供最寬泛的產(chǎn)品選擇，這是競爭對(duì)手做不到的。”Patterson說。

　　目前，氮化鎵系統(tǒng)公司把氮化鎵晶體管的目標(biāo)市場鎖定在消費(fèi)電子、商業(yè)、工業(yè)和汽車四大主要領(lǐng)域。消費(fèi)電子企業(yè)對(duì)氮化鎵晶體管可能帶來的革命非常敏感，并最先引入商業(yè)化應(yīng)用。“這有些出乎我們之前的意料——我們?cè)詾橄M(fèi)電子企業(yè)會(huì)對(duì)價(jià)格更敏感，而事實(shí)上他們更在乎能否更快地讓更薄電視機(jī)、更高能效的空調(diào)等差異化競爭的產(chǎn)品走向市場，”Patterson說，“消費(fèi)電子行業(yè)的產(chǎn)品更新周期通常為6到18個(gè)月，這大大提升了新技術(shù)電子部件的更替速度。”

　　在商業(yè)方面，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展讓服務(wù)器電源市場變得興旺蓬勃。據(jù)Patterson透露，目前中國市場中，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器電源用戶正非常踴躍積極的采納氮化鎵晶體管器件，以此大幅降低數(shù)據(jù)中心的電力消耗。在工業(yè)方面，氮化鎵系統(tǒng)公司十分看重中國潛力巨大的光伏逆變器市場。“我們?cè)谥袊袌霾季诌€不到半年，目前發(fā)展?fàn)顩r超出此前預(yù)期，預(yù)計(jì)今年底至少將有40家行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者成為我們的客戶。”氮化鎵系統(tǒng)公司亞太地區(qū)營銷總監(jiān)Charles Bailley透露。

　　汽車市場，尤其是電動(dòng)汽車市場是高效率功率轉(zhuǎn)化器件前景最為廣闊的待開發(fā)市場。氮化鎵晶體管應(yīng)用在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，通過大幅提升能量轉(zhuǎn)化效率更高而使得讓汽車減少電池使用，既能減輕汽車重量，又能降低汽車成本。“當(dāng)然，汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)周期通常為3至5年，因此氮化鎵晶體管在汽車市場的大規(guī)模應(yīng)用仍需時(shí)日。”Patterson認(rèn)為。

　　今年65歲的Patterson是在電子通訊領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的連環(huán)創(chuàng)業(yè)者。從1981年開始創(chuàng)業(yè)至今，Partterson已經(jīng)完成了4家公司的IPO。“氮化鎵晶體管的革命必然是顛覆性的，這次創(chuàng)業(yè)是這么多年來讓我最為興奮的一次，我們有可能改變這個(gè)行業(yè)的未來，成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，”Patterson一改此前工程師的口吻，頗為興奮地笑道，“我真希望再年輕20歲!”